V rôznych štrukturálnych situáciách môžu inžinieri potrebovať posúdiť pevnosť spojov vytvorených zvarmi a mechanickými spojovacími prvkami. Dnes sú mechanické spojovací prvky zvyčajne skrutky, ale staršie konštrukcie môžu mať nity.
Toto sa môže stať počas modernizácií, rekonštrukcií alebo vylepšení projektu. Nový návrh môže vyžadovať spoločné spájanie skrutkami a zváraním v spoji, kde sa spájaný materiál najprv zoskrutkuje a potom zvarí, aby sa spoju poskytla plná pevnosť.
Určenie celkovej únosnosti spoja však nie je také jednoduché ako sčítanie súčtu jednotlivých komponentov (zvarov, skrutiek a nitov). Takýto predpoklad by mohol viesť ku katastrofálnym následkom.
Skrutkové spoje sú opísané v špecifikácii štrukturálnych spojov Amerického inštitútu oceľových konštrukcií (AISC), ktorá používa skrutky ASTM A325 alebo A490 ako tesné upevnenie, predpätie alebo posuvné pero.
Pevne utiahnuté spoje utiahnite rázovým uťahovákom alebo zámočníkom pomocou bežného obojstranného kľúča, aby ste zabezpečili tesný kontakt vrstiev. V predpätom spoji sú skrutky inštalované tak, aby boli vystavené značnému ťahovému zaťaženiu a dosky sú vystavené tlakovému zaťaženiu.
1. Otočte maticu. Metóda otáčania matice zahŕňa utiahnutie skrutky a následné otočenie matice o ďalšiu hodnotu, ktorá závisí od priemeru a dĺžky skrutky.
2. Kalibrujte kľúč. Metóda kalibrovaného kľúča meria krútiaci moment spojený s napätím skrutky.
3. Skrutka na nastavenie napnutia krútiaceho momentu. Skrutky na napnutie s možnosťou odkrúcania majú malé čapy na konci skrutky oproti hlave. Po dosiahnutí požadovaného krútiaceho momentu sa čap odskrutkuje.
4. Ukazovateľ priameho ťahu. Priame indikátory napätia sú špeciálne podložky s výstupkami. Miera stlačenia na výstupku udáva úroveň napätia pôsobiaceho na skrutku.
Laicky povedané, skrutky fungujú ako kolíky v tesných a predpätých spojoch, podobne ako mosadzný kolík, ktorý drží pohromade stoh perforovaného papiera. Kritické posuvné spoje fungujú na princípe trenia: predpätie vytvára prítlačnú silu a trenie medzi kontaktnými plochami spolupracuje, aby zabránilo skĺznutiu spoja. Je to ako zakladač, ktorý drží stoh papierov pohromade, nie preto, že sú v papieri vyrazené otvory, ale preto, že zakladač papiere stlačí k sebe a trenie drží stoh pohromade.
Skrutky ASTM A325 majú minimálnu pevnosť v ťahu 150 až 120 kg na štvorcový palec (KSI) v závislosti od priemeru skrutky, zatiaľ čo skrutky A490 musia mať pevnosť v ťahu 150 až 170 KSI. Nitové spoje sa správajú skôr ako tesné spoje, ale v tomto prípade sú čapy nity, ktoré sú zvyčajne približne polovične pevné ako skrutka A325.
Keď je mechanicky upevnený spoj vystavený šmykovým silám (keď má jeden prvok tendenciu kĺzať sa po druhom v dôsledku pôsobiacej sily), môže sa stať jedna z dvoch vecí. Skrutky alebo nity môžu byť na stranách otvorov, čo spôsobuje ich súčasné strihanie. Druhou možnosťou je, že trenie spôsobené zvieracou silou predpätých spojovacích prvkov dokáže odolať šmykovému zaťaženiu. Pri tomto spojení sa neočakáva žiadne šmyknutie, ale je možné.
Tesné spojenie je prijateľné pre mnoho aplikácií, pretože mierne posunutie nemôže nepriaznivo ovplyvniť vlastnosti spojenia. Zoberme si napríklad silo určené na skladovanie granulovaného materiálu. Pri prvom nakladaní môže dôjsť k miernemu posunutiu. Ak sa raz posunutie objaví, už sa to nezopakuje, pretože všetky nasledujúce zaťaženia majú rovnakú povahu.
Obrátenie zaťaženia sa používa v niektorých aplikáciách, napríklad keď sú rotujúce prvky vystavené striedavému ťahovému a tlakovému zaťaženiu. Ďalším príkladom je ohybový prvok vystavený úplne obrátenému zaťaženiu. Pri výraznej zmene smeru zaťaženia môže byť potrebné predpäté spojenie, aby sa eliminoval cyklický sklz. Tento sklz nakoniec vedie k väčšiemu sklzu v predĺžených otvoroch.
Niektoré spoje zažívajú mnoho cyklov zaťaženia, ktoré môžu viesť k únave. Patria sem lisy, podpery žeriavov a spoje v mostoch. Kritické posuvné spoje sú potrebné, keď je spoj vystavený únavovému zaťaženiu v opačnom smere. Pre tieto typy podmienok je veľmi dôležité, aby spoj nekĺzal, preto sú potrebné spoje kritické voči klzu.
Existujúce skrutkové spoje je možné navrhnúť a vyrobiť podľa ktorejkoľvek z týchto noriem. Nitové spoje sa považujú za tesné.
Zvárané spoje sú tuhé. Spájkované spoje sú zložité. Na rozdiel od tesných skrutkových spojov, ktoré sa môžu pod zaťažením pošmyknúť, sa zvary nemusia naťahovať a rozkladať pôsobiace zaťaženie vo veľkej miere. Vo väčšine prípadov sa zvárané a ložiskové mechanické spojovacie prvky nedeformujú rovnakým spôsobom.
Keď sa zvary používajú s mechanickými spojovacími prvkami, zaťaženie sa prenáša cez tvrdšiu časť, takže zvar môže niesť takmer všetko zaťaženie a so skrutkou sa delí len veľmi málo. Preto je potrebné pri zváraní, skrutkovaní a nitovaní postupovať opatrne. Špecifikácie. AWS D1 rieši problém miešania mechanických spojovacích prvkov a zvarov. Špecifikácia 1:2000 pre konštrukčné zváranie – oceľ. Odsek 2.6.3 uvádza, že v prípade nitov alebo skrutiek používaných v ložiskových spojoch (t. j. kde skrutka alebo nit slúži ako čap) by sa mechanické spojovacie prvky nemali považovať za diely zdieľajúce zaťaženie so zvarom. Ak sa použije zváranie, musia byť zabezpečené tak, aby niesli plné zaťaženie v spoji. Sú však povolené spojenia zvarené s jedným prvkom a nitované alebo skrutkované s iným prvkom.
Pri použití mechanických spojovacích prvkov s ložiskovým typom a pridaní zvarov sa únosnosť skrutky do značnej miery zanedbáva. Podľa tohto ustanovenia musí byť zvar navrhnutý tak, aby prenášal všetky zaťaženia.
Toto je v podstate to isté ako AISC LRFD-1999, článok J1.9. Kanadská norma CAN/CSA-S16.1-M94 však umožňuje aj samostatné použitie, keď je sila mechanického upevňovacieho prvku alebo skrutky vyššia ako sila zvárania.
V tejto veci sú tri kritériá konzistentné: možnosti mechanického upevnenia ložiskového typu a možnosti zvarov sa nesčítavajú.
Časť 2.6.3 normy AWS D1.1 tiež rozoberá situácie, kedy je možné skrutky a zvary kombinovať v dvojdielnom spoji, ako je znázornené na obrázku 1. Zvary vľavo, skrutky vpravo. Tu je možné zohľadniť celkový výkon zvarov a skrutiek. Každá časť celého spoja funguje nezávisle. Tento predpis je teda výnimkou zo zásady obsiahnutej v prvej časti bodu 2.6.3.
Pravidlá, o ktorých sme práve hovorili, platia pre nové budovy. Pre existujúce konštrukcie bod 8.3.7 D1.1 uvádza, že ak statické výpočty ukazujú, že nit alebo skrutka bude preťažená novým celkovým zaťažením, malo by sa jej priradiť iba existujúce statické zaťaženie.
Rovnaké pravidlá vyžadujú, aby ak je nit alebo skrutka preťažená iba statickým zaťažením alebo je vystavená cyklickému (únavovému) zaťaženiu, bolo potrebné pridať dostatočné množstvo základného kovu a zvarov na unesenie celkového zaťaženia.
Rozloženie zaťaženia medzi mechanické upevňovacie prvky a zvary je prijateľné, ak je konštrukcia predpätá, inými slovami, ak došlo k posunutiu medzi spojenými prvkami. Na mechanické upevňovacie prvky však možno pôsobiť iba statické zaťaženie. Živé zaťaženie, ktoré môže viesť k väčšiemu posunutiu, musí byť chránené použitím zvarov schopných odolať celému zaťaženiu.
Zvary musia byť použité tak, aby odolali všetkému aplikovanému alebo dynamickému zaťaženiu. Ak sú mechanické spojovacie prvky už preťažené, rozdelenie zaťaženia nie je povolené. Pri cyklickom zaťažení nie je rozdelenie zaťaženia povolené, pretože zaťaženie môže viesť k trvalému posunutiu a preťaženiu zvaru.
ilustrácia. Predstavte si prekrytý spoj, ktorý bol pôvodne pevne skrutkovaný (pozri obrázok 2). Konštrukcia pridáva dodatočnú pevnosť a na dosiahnutie dvojnásobnej pevnosti je potrebné pridať spoje a konektory. Na obr. 3 je znázornený základný plán spevnenia prvkov. Ako by sa malo spojenie vykonať?
Keďže nová oceľ musela byť spojená so starou oceľou kútovými zvarmi, inžinier sa rozhodol pridať niekoľko kútových zvarov na spoji. Keďže skrutky boli stále na mieste, pôvodná myšlienka bola pridať iba zvary potrebné na prenos dodatočnej sily na novú oceľ, pričom sa očakávalo, že 50 % zaťaženia bude prechádzať cez skrutky a 50 % zaťaženia cez nové zvary. Je to prijateľné?
Najprv predpokladajme, že na spoj momentálne nepôsobia žiadne statické zaťaženia. V tomto prípade platí odsek 2.6.3 normy AWS D1.1.
V tomto type spoja s ložiskom nemožno považovať zvar a skrutku za spoje, ktoré zdieľajú zaťaženie, takže špecifikovaná veľkosť zvaru musí byť dostatočne veľká na to, aby uniesla všetko statické a dynamické zaťaženie. Únosnosť skrutiek v tomto príklade nemožno zohľadniť, pretože bez statického zaťaženia bude spojenie v uvoľnenom stave. Zvar (navrhnutý na prenos polovice zaťaženia) sa najprv pretrhne pri pôsobení plného zaťaženia. Potom sa skrutka, tiež navrhnutá na prenos polovice zaťaženia, pokúsi preniesť zaťaženie a zlomí sa.
Ďalej predpokladajme, že je aplikované statické zaťaženie. Okrem toho sa predpokladá, že existujúce spojenie je dostatočné na unesenie existujúceho stáleho zaťaženia. V tomto prípade platí odsek 8.3.7 D1.1. Nové zvary musia odolávať iba zvýšenému statickému a všeobecnému prevádzkovému zaťaženiu. Existujúce vlastné zaťaženie možno priradiť existujúcim mechanickým upevňovacím prvkom.
Pri konštantnom zaťažení sa spoj neprehýba. Namiesto toho skrutky už nesú svoju záťaž. V spoji došlo k určitému posunutiu. Preto je možné použiť zvary, ktoré dokážu prenášať dynamické zaťaženie.
Odpoveď na otázku „Je to prijateľné?“ závisí od podmienok zaťaženia. V prvom prípade, pri absencii statického zaťaženia, bude odpoveď záporná. Za špecifických podmienok druhého scenára je odpoveď áno.
Len preto, že je aplikované statické zaťaženie, nie je vždy možné vyvodiť záver. Úroveň statického zaťaženia, primeranosť existujúcich mechanických spojení a povaha koncového zaťaženia – či už statického alebo cyklického – môžu zmeniť odpoveď.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, manažér centra zváracej technológie, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Spoločnosť Lincoln Electric vyrába zváracie zariadenia a zváracie spotrebné materiály po celom svete. Inžinieri a technici centra zváracej technológie pomáhajú zákazníkom riešiť problémy so zváraním.
Americká zváračská spoločnosť, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefón 305-443-9353, fax 305-443-7559, webová stránka www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefón 610-832-9585, fax 610-832-9555, webová stránka www.astm.org.
Americká asociácia oceľových konštrukcií, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefón 312-670-2400, fax 312-670-5403, webová stránka www.aisc.org.
FABRICATOR je popredný severoamerický časopis o výrobe a tvárnení ocele. Časopis publikuje novinky, technické články a úspešné príbehy, ktoré umožňujú výrobcom vykonávať svoju prácu efektívnejšie. FABRICATOR pôsobí v tomto odvetví od roku 1970.
Teraz s plným prístupom k digitálnej edícii The FABRICATOR, jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Digitálne vydanie časopisu The Tube & Pipe Journal je teraz plne dostupné a poskytuje jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.
Získajte plný digitálny prístup k časopisu STAMPING, ktorý obsahuje najnovšie technológie, osvedčené postupy a novinky z odvetvia lisovania kovov.
Teraz s plným digitálnym prístupom k The Fabricator en Español máte jednoduchý prístup k cenným priemyselným zdrojom.